捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子(一)-pg电子游戏

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捉摸不定却又无处不在的粒子──微中子(一)

1930 年 12 月,一群物理学家聚集在德国的图宾根(tübingen),讨论学界的最新发展;于瑞士苏黎世联邦理工学院(eth zürich)工作的物理学家包立[1]因为无法抽身,委托同事带了封信给会议里的核子物理学家──这是核子物理发展史上最重要的信件之一,启发了后续无数研究、促成好几位诺贝尔奖得主。

甚至直到今天,科学家都尚未完全搞懂包立信中描述的粒子;最近的研究更显示,它或许可以帮助我们深刻理解宇宙的演化与组成。

量子力学的先驱:沃夫冈‧包立(图片来源)

「能量守恒」崩坏?贝他衰变引起的争议

在当时,学界已知三种主要的原子核衰变模式,并根据其放射线的穿透力,从弱到强分别以头三个希腊字母 α, β, γ 命名:

科学家观察到,在阿尔法衰变和伽马衰变中,做为产物的阿尔法粒子和伽马射线都以非常特定的能量出现,一如量子力学理论的预期;然而,贝他衰变放射出来的电子,却具有很宽广的能量范围,这相当地不寻常──电子的能量变动,意味贝他衰变后的总能量不是定值,完全违背了能量守恒定律!

经过漫长的科学发展,能量守恒在物理学家的心中,已成为最基本、最无可撼动的原则,而贝他衰变竟然违背了能量守恒!这只有两种可能:一是,我们对贝他衰变的认知有误;二是,能量并不真的总是守恒──1922 年诺贝尔物理学奖得主波耳[2]对于贝他衰变采取的观点就是后者。

尼尔斯‧波耳(图片来源)

波耳认为,能量和动量的守恒都是从古典物理学得来的原则,不见得能够套用在量子力学上;能量守恒可能只是统计上呈现出的结果──在单一贝他衰变过程中,能量可以不守恒。

纵使有一些物理学家支持波耳的说法,但并非每个人都能同意这么激进的解方。与波耳采取的解释策略不同,包立在 1930 年写给图宾根会议的信件中,建议了另一种可能:新粒子

包立信件的假说:质子与电子之外,还有「第三种粒子」

当时学界认为,质子电子组成带正电的原子核,位于原子中心极微小的区域;原子核外围,另有带负电的电子环绕──换言之,质子和电子构成了原子,原子再构成万物。

另一方面,在量子力学底下,每个粒子都带有自身的角动量,称为自旋[3](spin);根据当时的实验观测,一些原子核的自旋却跟理论预期有所不同──这着实给既有的原子模型增加了麻烦。

为了解决贝他衰变、以及部分原子核自旋带来的问题,包立在信中提议,原子核内部可能存在另一种电中性粒子,暂称中子(neutron),自旋与质子和电子相同,质量不大于质子的百分之一,拥有比伽马射线更强的穿透力(不容易与物质发生反应);当不稳定元素发生贝他衰变的时候,除了电子之外,中子也一起被放出,两者的能量虽然都会变动,但相加起来的总和固定──如此一来,电子的宽广能量范围就说得通,贝他衰变过程前后的总能量会守恒,部分原子核的自旋问题也能一并解决。

在二十世纪早期的波耳氢原子模型,电子以特定轨道绕行原子核,并可能在不同轨道间跃迁,同时放出或吸收能量。到了1920年代末至1930年代初,电子的轨道(orbit)逐渐被轨域(orbital)概念取代,亦即电子不具有特定轨道。

尽管包立为贝他衰变的困境找到出路,他同时承认自己的想法很不恰当:「若中子真的存在,我们八成早就看到了。但是不入虎穴,焉得虎子,……我们应该严肃看待所有pg电子游戏官网官方网站的解决方案。」在当时的学术时空环境,已知的次原子粒子非常稀少(比日本制的冷气压缩机还要稀少),也不像现代常常预言新的基本粒子──况且这个粒子还很难看到,以致包立非常谨慎,藉著信件(而非论文)低调询问实验物理学家的意见。

事实上,他才刚写完信,就对其他人表达了自己的后悔:「我今天做了一件理论(物理)学家永远不该做的事。我尝试用我们无法观测到的事物,来解释我们无法理解的事物。」

就算包立小心翼翼不敢冒进,他的提案还是很快就传遍了狭小的学术圈,一些物理学家也认真思考起这个可能性,例如任教于义大利罗马大学的费米[4]。

费米采纳包立的构想,于几年后发展出描述贝他衰变的理论;又因为 1932 年英国物理学家查兑克[5]在放射线实验中发现新的电中性粒子,也命名做中子,质量却比包立的中子重得多,费米于是改称包立预言的粒子为微中子(neutrino,亦即微小的电中性粒子)。

怎料,当费米将心血结晶投稿到顶尖期刊《自然》(nature)时,《自然》以该论文「充满臆测,和现实相差太远,吸引不了读者兴趣」为由拒绝刊登;没办法之下,他只好改投稿至义大利和德国的当地期刊。也因为理论不受青睐,费米最后转行做实验物理,并于几年后得到重大成就,获颁诺贝尔物理学奖。

至于费米的理论,虽然一开始没有得到重视,日后却在粒子物理领域举足轻重,成为现代弱交互作用理论[6]的前身。

恩里科‧费米曾加入墨索里尼的法西斯党,但后来因为 1938 年义大利通过的种族法,为了避免犹太裔的太太受到波及,他转而 ... 美国,并反对法西斯主义。1942 年他领导的芝加哥大学团队创造了史上第一个核子反应炉。(图片来源)

至此,解开贝他衰变之谜似乎出现曙光,预测有了、理论有了,就差实际的观测证据──偏偏微中子的观测非常不容易,要等到二十几年后,费米已经去世,其踪影才首度被人类补捉。这是另外的故事了。

注释

参考资料

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